模拟人工湿地不同植物配植对富营养化水体修复能力研究

2015-03-22靳阳阳霍张丽郭晓宏

中国水土保持 2015年1期

关键词：富营养化薄荷芦苇

靳阳阳，霍张丽，郭晓宏

(1.临汾市水利局，山西临汾 041000；2.山西师范大学生命科学学院，山西临汾 041000)

模拟人工湿地不同植物配植对富营养化水体修复能力研究

靳阳阳1，霍张丽2，郭晓宏2

(1.临汾市水利局，山西临汾 041000；2.山西师范大学生命科学学院，山西临汾 041000)

人工湿地；富营养化；湿生植物；去除率

随着我国现代工业的快速发展，受经济利益驱使，部分企业环保设施落后，工业废水未经处理就直接排入河流、湖泊等，严重污染了水体。大量排放的生活污水也是导致我国水体富营养化的主要因素，其中旅游业的发展更是加快了水体富营养化的进程。同时，农业生产中大量使用农药、化肥，其中的氮、磷通过农田径流流入湖泊中，也加剧了水体的富营养化。

植物修复技术是利用水生植物(主要是沉水植物和挺水植物)生长过程对氮、磷等营养物质的吸收而减少水体中这类污染物质，同时分解、净化水体中的其他有毒有害物质的环境污染治理技术。这种方法低投资、高产出、环境效益好，尤其是治理费用要比传统技术低，已被证明是一项非常有应用前景的水污染处理新技术。但植物修复技术作为一门新兴的技术，还需进一步寻找或培育出具有良好遗传性状的植物新品种，来适应不同污染浓度、满足不同季节和地域需求、快速高效地同时修复多种污染[1]。

人工湿地生态技术是20世纪70年代发展起来的一种污水处理工程方法[2]，通过模拟自然湿地环境，人为设计与建造由基质、植物、微生物和水体组成的复合体，利用生态系统中水生植物、基质、微生物的物理、化学和生物的直接和协同作用来实现对污水的净化[3]。

本试验选用临汾本土的芦苇(Phragmitesaustralis)、藨草(Scirpustriqueter)、薄荷(Menthahaplocalyx)3种湿生植物，通过构建不同植物组合的小型人工湿地，定期进行水质监测和分析，研究不同湿地植被对富营养化水体的修复能力，以筛选出净化效果好、适宜于山西临汾地区人工湿地生境的植物组合，充分发挥人工湿地在生态清洁型小流域建设中的重要作用，为水环境保护提供重要试验依据[4]。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 试验装置

小型模拟人工湿地系统构建于红色塑料桶内(桶的规格：上口直径33 cm、内径28.5 cm，下口直径24.5 cm、内径21 cm，高28 cm)[5]，在桶底设一个出水龙头用来排水。在距桶底15 cm的桶体上设一个出水龙头，并连接集水管用于采集水样。集水管均匀打孔，用100目的滤布包裹，防止细砂进入管中造成堵塞。在桶内分层铺设不同粒径的河砂作为基质，下层为10 cm厚的粗砂(粒径1～3 mm)，上层为15 cm厚的细砂(粒径0.3～1 mm)，之间用100目的滤布隔开[6]。试验装置见图1。

图1 试验装置

1.1.2 富营养化水体设置

试验前加入KNO3、NH4NO3、NaH2PO4和葡萄糖来人工模拟富营养化水体[7]，总氮、总磷浓度参照GB 3838—2002《地表水环境质量标准》中地表Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ类水标准扩大10倍进行配置，所配置的富营养化水初始浓度配比见表1。

表1 试验水体营养成分初始浓度配比

1.2 试验方法

1.2.1 水样测试指标和测试方法

1.2.2 试验植物采集和处理

2013年6月，从临汾市汾河流域采集了芦苇、藨草、薄荷3种湿生植物。采集过程中，注意不要损伤到植物根系，采集后用报纸或牛皮纸包裹植物茎段，避免植物倒伏、弯折，然后放入盛有水的桶内[6]。

植物采回后，用自来水、蒸馏水冲洗根部泥土，洗净后放入10%的Hoagland营养液中进行培养，一周换水一次。两周后挑选大小一致、长势良好的植株，将其植入试验桶中，每桶种植8株。向桶中浇灌蒸馏水2次，每次将水排空后再进行第二次注水。最后，一次性向每个试验桶中注入5 L预先配好的富营养化水，并在桶外对液面划线标记。考虑到试验期间水分的蒸发和植物的蒸腾作用，适时向桶内添加蒸馏水以保持水位不变[6]。

1.2.3 植物配植方式

将芦苇、藨草、薄荷3种植物进行组合搭配，共设4个组合，分别是: 芦苇+藨草、芦苇+薄荷、藨草+薄荷、芦苇+藨草+薄荷。3种富营养化处理浓度下每个组合均设3个重复样，共计36桶。试验从8月10日开始至9月14日结束，共计35 d。试验开始后每隔7d检测一次水样[6]。

1.2.4 去除率计算

污染物去除率计算公式为

式中：C0为测定初始时的污染物浓度，mg/L；Ci为测定第i天的污染物浓度，mg/L。

1.2.5 数据处理

采用SPSS 19.0和Microsoft Excel 2007对数据进行处理和绘图。

2 结果与分析

2.1 不同植物组合对轻度富营养化水体的净化效果

表2 不同植物组合对轻度富营养化水体中污染物的去除率比较

注：表中的数值为平均值±标准误差；同一行不同小写字母表示差异显著 (P<0.05)，相同字母表示差异不显著(P≥0.05)，下同。

2.2 不同植物组合对中度富营养化水体的净化效果

表3 不同植物组合对中度富营养化水体中污染物的去除率比较

2.3 不同植物组合对重度富营养化水体的净化效果

表4 不同植物组合对重度富营养化水体中污染物的去除率比较

3 结论与讨论

以上结果表明，芦苇和藨草在每组配植方式中都有重要的作用。芦苇对TN、TP的去除可能与其特有的通气组织有关，研究表明植物可通过根系输氧和根系微生物来影响污水中磷素的净化[9]。芦苇和藨草都具有根状茎，其发达的根系表面覆盖着一层生物膜，膜上含有很多的细菌和原生动物等，分泌了大量的酶，加速了水体中大分子物质的降解，使水质得到有效净化[10]。藨草的根状茎在试验期间不断分化出新的芽体，发育成完整的植株，使得试验种植密度增大，其突出的COD去除能力不排除这个原因。

表3、4表明，随着水体富营养化程度的增加，4种植物组合的净化效率均趋下降，但芦苇+藨草+薄荷组合净化效率下降最显著，这可能是植物种间竞争相互抑制所导致的。

不同植物在不同浓度的富营养化水体中有不同的净化效果，并且外部环境也对植物生长发育和净化效果有着不可忽视的影响[11]。在人工湿地的应用中，可以根据实地环境条件做出相应的植物配植方式，以求达到最好的净化效果，既能净化水体，又能美化环境[12]。

[1] 夏晓方,钟成华,刘洁,等.水生植物修复污染水体的研究进展[J].重庆工商大学学报:自然科学版,2011,28(4):398-400.

[2] 王文明,危建新,聂世辉,等.人工湿地生态技术及其应用[J].四川环境,2013,32(3):106-110.

[3] 段素明,黄先飞,胡继伟,等.人工湿地研究进展[J].贵州农业科学,2012,40(3):211-216.

[4] 杨俊鹏,王铁良,范昊明,等.河流生态修复研究进展[J].水土保持研究,2012,19(6):299-304.

[5] 郜莹.哈尔滨市人工湿地植物净污能力研究[D].哈尔滨：黑龙江大学,2012.

[6] 霍张丽.模拟人工湿地植物对富营养化水体的修复研究[D].临汾：山西师范大学,2014.

[7] 常会庆,王世华,徐晓峰,等.两种水生植物对重富营养化水体修复效果研究[J].水土保持研究,2012,19(5):262-265.

[8] 国家环境保护总局,水和废水监测分析方法编委会.水和废水监测分析方法[M].第4版.北京:中国环境科学出版社,2002:104-280.

[9] 李晓东,孙铁珩,李海波,等.人工湿地除磷研究进展[J].生态学报,2007,27(3):1226-1231.

[10] 刘盼,宋超,朱华,等.3种水生植物对富营养化水体的净化作用研究[J].水生态学杂志,2011,32(3):69-73.